Verfahren zum Betreiben eines Verdichters

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters, insbesondere eines Verdichters mit steuerbarem Hub wie etwa eines Linearverdichters. Wenn ein Verdichter betrieben wird, um ein kondensierbares Medium wie etwa ein Kältemittel im Kältemittelkreislauf eines Kältegeräts zu verdichten, kann unter ungünstigen Umständen das Medium im Verdichter kondensieren. Dies führt zu einer erheblichen Verringerung des Durchsatzes des Verdichters und damit zu mangelhafter Funktion des Kältegeräts, in dem der Verdichter eingebaut ist.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Betriebsverfahren für einen Verdichter anzugeben, mit dem Effizienzeinbußen aufgrund von Kondensation mit minimalem apparativem Aufwand vermieden werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten: a) Entscheiden, ob die Gefahr von Kondensation des verdichteten Mediums in dem

Verdichter besteht, und b) beim Bestehen von Kondensationsgefahr, Beheizen des Verdichters.

Das Beheizen des Verdichters kann zweckmäßigerweise erfolgen, indem der Verdichter auf einen kleineren Hub als beim Nichtbestehen der Kondensationsgefahr eingestellt wird. Dies hat zur Folge, dass kaum noch Medium gefördert wird, d.h. der Wirkungsgrad des Verdichters sinkt. Dieser an sich unerwünschte Effekt führt hier aber dazu, dass Arbeit, die an dem Medium im Verdichter durch wiederholtes Verdichten in schneller Folge geleistet wird, im Wesentlichen zur Erwärmung des Mediums führt, das wiederum, da es den Verdichter nicht verlässt, seine Wärme an letzteren überträgt.

Um eine gewünschte Wärmemenge freizusetzen, genügt es, den Verdichter über eine vorgegebenen Zeitspanne mit dem Hub arbeiten zu lassen.

Vorzugsweise wird der Hub bei Kondensationsgefahr so festgelegt, dass der sich einstellende Durchsatz des Linearverdichters höchstens halb so groß, vorzugsweise höchstens ein Viertel so groß ist wie bei Nichtbestehen der Kondensationsgefahr.

Die Entscheidung über das Bestehen von Kondensationsgefahr kann anhand diverser unterschiedlicher Kriterien getroffen werden. Die Kriterien können einzeln oder auch in Kombination miteinander eingesetzt werden.

So kann zum Beispiel einer ersten Ausgestaltung zufolge an dem Verdichter oder in dessen Umgebung eine Temperatur gemessen werden, und die Entscheidung über das Bestehen der Kondensationsgefahr wird anhand der gemessenen Temperatur getroffen. Je niedriger diese Temperatur ist, umso größer ist die Neigung des Mediums, in dem Verdichter zu kondensieren.

Wenn der Verdichter in einem Kältegerät eingesetzt wird, kann die Temperatur in der Umgebung des Kältegeräts oder innerhalb von diesem, etwa an einem Lagerraum, an einer Kältemittelleitung oder am Verdichter selbst gemessen werden.

Anstelle einer Temperatur oder ergänzend zu dieser kann auch die änderungsrate einer Temperatur bei der Entscheidung über die Kondensationsgefahr berücksichtigt werden. Die direkt berücksichtigte Temperatur und die Temperatur, deren änderungsrate berücksichtigt wird, können an verschiedenen Orten gemessen werden. So kann zum Bespiel entschieden werden, dass Kondensationsgefahr besteht, wenn die änderungsrate der gemessenen Temperatur unter einem Grenzwert zurückbleibt. Wenn die änderungsrate der - in diesem Fall zweckmäßigerweise im Kältegerät, an einer Lagerkammer, dem Kältemittelkreislauf oder dem Verdichter selbst - gemessenen Temperatur niedriger ist, als bei ordnungsgemäßem Verdichterbetrieb zu erwarten, so ist dies ein Hinweis darauf, dass aufgrund von Kondensation der Durchsatz des Verdichters stark reduziert ist.

Weiterhin kann alternativ oder ergänzend die Dauer einer Ausschaltphase des Verdichters gemessen werden. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einer Temperaturmessung sinnvoll, vor allem, wenn diese nicht unmittelbar am Verdichter vorgenommen wird, da die Dauer der Ausschaltphase einen Rückschluss darauf erlaubt, wie weit sich die Temperatur des - nach einer Einschaltphase jeweils warmem - Verdichters der gemessenen Temperatur angeglichen hat.

Vorzugsweise wird daher entschieden, dass Kondensationsgefahr besteht, wenn die Dauer der Ausschaltphase einen temperaturabhängigen Grenzwert übersteigt.

Es kann auch die Dauer einer gegenwärtigen Einschaltphase des Verdichters gemessen und die Entscheidung über das Bestehen der Kondensationsgefahr anhand der gemessenen Dauer getroffen werden.

So kann insbesondere entschieden werden, dass eine Kondensationsgefahr nicht mehr besteht, wenn die Dauer der Einschaltphase einen ersten Grenzwert übersteigt. Wenn dies der Fall ist, kann angenommen werden, dass der Verdichter gut genug warm gelaufen ist, um Kondensation auszuschließen.

Umgekehrt kann aber auch zweckmäßig sein zu entscheiden, dass Kondensationsgefahr besteht, wenn die Dauer der Einschaltphase einen zweiten Grenzwert übersteigt. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn aufgrund von Kondensation der Durchsatz des Verdichters reduziert ist und dementsprechend auch die Kühlleistung des Kältekreislaufs gering ist.

Um die Dauer einer Einschalt- oder Ausschaltphase zu messen, können einfach Hübe des Verdichters gezählt werden. Insbesondere bei einem Linearverdichter mit einem an schwingenden Federn aufgehängten Kolben ist die Dauer eines Hubs eine durch die Stärke der Federn und die Masse des Kolbens bestimmte Konstante und eignet sich deshalb gut als Zeitnormal.

Es kann auch einfach entschieden werden, dass Kondensationsgefahr besteht, wenn in einer vorgegebenen Zahl von Einschaltphasen des Verdichters vor einer gegenwärtigen Einschaltphase nicht entschieden wurde, dass Kondensationsgefahr besteht. So wird jeweils in in etwa regelmäßigen Zeitabständen der Verdichter aufgewärmt, um der Kondensationsgefahr vorzubeugen.

Bei einem Verdichter, der wenig Abwärme erzeugt, insbesondere etwa bei einem Verdichter mit gasdruckgelagerten Kolben, kann es auch im Laufe einer Einschaltphase des Verdichters zweckmäßig sein, den Verdichter in regelmäßigen Zeitabständen zusätzlich zu erwärmen.

Eine weitere Möglichkeit ist, den Druck des Mediums zu messen und die Entscheidung über das Bestehen der Kondensationsgefahr anhand des gemessenen Drucks zu treffen.

Wenn der Druck einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass auch die Temperatur des Mediums niedrig und dementsprechend seine Kondensationsneigung hoch ist.

Als ein weiteres Kriterium für die Kondensationsgefahr kann die Leistungsaufnahme des Verdichters herangezogen werden. Diese steht in direkter Beziehung zum Durchsatz des Verdichters, das heißt wenn dieser aufgrund von Kondensation niedrig ist, dann ist dementsprechend auch die Leistungsaufnahme des Verdichters gering.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Linearverdichters, auf den das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist; und

Fig. 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.

Der in Fig. 1 gezeigte Linearverdichter hat ein Antriebsaggregat 1 mit einem in einem Spalt 2 zwischen zwei sich gegenüberliegenden Elektromagneten 3 schwingfähig aufgehängten permanentmagnetischen Anker 4. Die Elektromagnete 3 haben jeweils E- förmige Joche mit einen zentralen Arm des Jochs umgebenden Wicklungen. Der Anker 4 wird durch einen an die Elektromagneten 3 von einer nicht dargestellten Steuerschaltung angelegten Wechselstrom zu einer Oszillationsbewegung angeregt. Um die Oszillationsbewegung effektiv anzutreiben, ist die Frequenz des Wechselstroms auf die Resonanzfrequenz des schwingfähigen Systems aus Kolben 6, Anker 4 und nicht gezeigten, diese tragenden und linear führenden Rückstellfedern abgestimmt. Die Amplitude der Oszillationsbewegung ist abhängig von der von der Steuerschaltung in die Elektromagnete 3 eingespeisten elektrischen Leistung.

An den Anker 4 ist über eine Kolbenstange 5 ein Kolben 6 in einer Verdichterkammer 7 gekoppelt. Der Kolben 6 ist in einer Gleichgewichtsstellung gezeigt, in der er sich befindet, wenn das Antriebsaggregat 1 stromlos ist. Eine Linie I bezeichnet die Position der Vorderseite des Kolbens 6 in der Gleichgewichtslage. Aus der Gleichgewichtslage ist der Kolben 6 in entgegengesetzte Richtungen auslenkbar.

In einer dem Kolben 6 gegenüberliegenden Stirnwand 8 der Verdichterkammer 7 befinden sich ein Einlassventil 9 und ein Auslassventil 10. Gasförmiges Kältemittel von einem nicht dargestellten Verdampfer wird über eine Vorkammer 11 und das Einlassventil 9 in die Verdichterkammer 7 eingesogen, worin sich der Kolben 6 von der Stirnwand 8 fortbewegt. Bewegt sich der Kolben 6 zurück zur Stirnwand 8, wird das in die Verdichterkammer 7 eingesaugte Kältemittel verdichtet, bis sein Druck ausreicht, um das Auslassventil 10 zu öffnen. Dies ist ungefähr dann der Fall, wenn die Vorderseite des Kolbens 6 die in Fig. 1 mit Il bezeichnete Linie erreicht.

Eine weitere Linie III bezeichnet den oberen Totpunkt der Bewegung des Kolbens 6. Die Vorderseite des Kolbens 6 soll diese Linie möglichst nicht passieren, da sonst die Gefahr besteht, dass der Kolben 6 an die Stirnwand 8 anschlägt und dabei beschädigt wird oder die Ventile 9, 10 beschädigt.

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines in der Steuerschaltung des Verdichters ausgeführten Betriebsverfahrens. Es beginnt mit dem Einschalten des Verdichters in Schritt S1. In einem Kältegerät kann die Steuerschaltung gleichzeitig auch die Aufgabe der Temperaturregelung eines Kühlfachs wahrnehmen; in diesem Fall wird Schritt S1 dann ausgeführt, wenn die in dem Kühlfach von einem an die Steuerschaltung angeschlossenen Sensor gemessene Temperatur einen Einschaltschwellwert überschreitet.

Als nächstes überprüft die Steuerschaltung in Schritt S2, ob ein Zählindex i einen vorgegebenen Grenzwert n erreicht hat. Wenn ja, wird der Zählindex in Schritt S3 zurückgesetzt, und das Verfahren springt direkt zu einem Schritt s12, der später genauer erläutert wird.

Ist der Schwellwert n nicht erreicht, so wird in Schritt S4 der Zählindex i inkrementiert. Durch die Schritte S2 bis S4 wird erreicht, dass bei jedem n-ten Einschalten des Verdichters der Schritt S12 angesprungen wird. Die Schritte S2 bis S4 sind fakultativ; einer alternativen Ausgestaltung zufolge kann das Verfahren von Schritt S1 direkt zu Schritt S5 übergehen, in welchem eine Temperatur gemessen wird.

Die in Schritt S5 gemessene Temperatur ist vorzugsweise eine Umgebungstemperatur des Kältegeräts, da zu deren Messung bei manchen herkömmlichen Kältegeräten Sensoren vorgesehen sind, so dass das erfindungsgemäße Verfahren in einem solchen Kältegerät mit minimalem Anpassungsaufwand ausführbar ist. Es kann sich aber auch um eine in der Nachbarschaft der Verdichterkammer 7 gemessene Temperatur handeln, die einen Rückschluss auf die aktuelle Temperatur der Verdichterkammer 7 zulässt.

In Schritt S6 vergleicht die Steuerschaltung die Dauer t _Off der dem Schritt s1 vorangegangenen Ausschaltphase des Verdichters mit einer in Abhängigkeit von der in Schritt S5 gemessenen Temperatur T festgelegten Grenzzeit t|, _m . Wenn die Ausschaltzeit t _off größer als die Grenzzeit t _hm ist, kann angenommen werden, dass die Verdichterkammer 7 soweit abgekühlt ist, dass es in ihr zur Kondensation des Kältemittels kommen kann; in diesem Fall verzweigt das Verfahren zu Schritt S12. Anderenfalls geht es über zu Schritt S7.

In Schritt S7 wird der Verdichter eine vorgegebene Zeitspanne lang mit normalem Kolbenhub betrieben, das heißt, der obere Totpunkt des Kolbens 6 befindet sich an der Linie III, und das während einer Ansaugbewegung des Kolbens 6 angesaugte Kältemittel wird fast vollständig aus der Verdichterkammer 7 ausgestoßen. Die Dauer der Betriebszeitspanne S7 kann vorgegeben sein in Form einer festen Zahl von Kolbenhüben, die während des Schrittes S7 von der Steuerschaltung gezählt werden.

Im Anschluss daran wird die Temperatur T in Schritt S8 erneut gemessen, und in Schritt s9 wird die Differenz δT zwischen dieser Temperatur und der bei der vorhergehenden Messung erhaltenen und mit einer Solldifferenz δT _mm verglichen. Wenn die Temperaturabnahme δT nicht stark genug ist, so kann dies auf Kondensation des Kältemittels in der Verdichterkammer 7 zurückzuführen sein; in diesem Fall verzweigt das Verfahren ebenfalls zum Schritt S12. Liegt die Temperaturabnahme im bei

ordnungsgemäßem Funktionieren des Verdichters zu erwartenden Rahmen, dann geht das Verfahren weiter zu Schritt S10.

In Schritt S10 wird die seit dem Schritt S1 verstrichene Zeit t _on , das heißt die Einschaltzeitdauer des Verdichters, mit einem Maximalwert t _max verglichen. Dieser Maximalwert t _max kann zweckmäßigerweise ebenfalls als Funktion der in Schritt S5 oder S8 gemessenen Temperatur T vorgegeben sein, da die zum Erreichen einer Kühlfachtemperatur, bei der der Verdichter wieder ausgeschaltet werden kann, erforderliche Zeit im Allgemeinen umso länger sein wird, je höher die Umgebungstemperatur ist. Wenn die Einschaltzeit t _on die Maximalzeit t _max überschreitet, wird auch dies als ein Hinweis auf Kondensation angesehen, und das Verfahren verzweigt zu Schritt S12. Andernfalls überprüft Schritt S11 , ob die Fachtemperatur den Ausschaltschwellwert T _aus erreicht hat. Wenn nein, kehrt das Verfahren zu Schritt S7 zurück, andernfalls wird der Verdichter ausgeschaltet und das Verfahren endet.

In Schritt S12 reduziert die Steuerschaltung den Hub der Kolbenbewegung, so dass der obere Totpunkt bei der Linie Il oder allenfalls geringfügig näher als die Linie Il zur Stirnwand 8 liegt. Die Wirkung dieser Maßnahme ist, dass der Durchsatz des Verdichters erheblich kleiner ist als bei normalen Betriebsbedingungen, da nur der über die Linie Il hinausgehende Teil der Kolbenbewegung dazu führt, dass Kältemittel aus der Verdichterkammer 7 ausgetrieben wird.

In Schritt S13 wird der Verdichter eine vorgegebene Zeit lang mit dem reduzierten Hub betrieben. Die dabei an dem Kältemittel in der Verdichterkammer 7 geleistete Arbeit wird überwiegend in Wärme umgesetzt und erhitzt die Verdichterkammer 7. Die Zeitspanne des Schritts S13 ist so gewählt, dass die Erwärmung ausreicht, um, wenn in Schritt S14 der normale Kolbenhub wieder eingestellt worden ist und das Verfahren zu Schritt S7 zurückkehrt, die Kondensation des Kältemittels ausgeschlossen ist.

Diverse Abwandlungen des Verfahrens sind möglich. So können beispielsweise einzelne der in Fig. 2 gezeigten Entscheidungsschritte entfallen, solange wenigstens ein Entscheidungsschritt übrig bleibt, in dessen Folge zu Schritt S12 verzweigt werden kann.

Anstelle der Temperatur können in Schritt S5, S8 auch andere Messgrößen herangezogen werden, wie zum Beispiel ein an geeigneter Stelle im Kältemittelkreislauf gemessener Druck des Kältemittels, oder die von dem Antriebsaggregat 1 aufgenommene elektrische Leistung. Insbesondere letztere Alternative hat den Vorteil, dass die elektrische Leistung direkt in der Steuerschaltung erfasst werden kann, ohne dass weitere Sensoren im Kältegerät erforderlich werden.

Eine weitere Alternative ist, anstelle einer Temperatur in der Umgebung des Verdichters direkt die Temperatur der Verdichterkammer 7 zu messen. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des Verfahrens, da aus dieser Temperatur ohne Berücksichtigung von Verdichterstand- oder Laufzeiten t _off , t _on sicher auf die Kondensationsneigung des Kältemittels geschlossen werden kann.

Bei einem Linearverdichter mit sehr geringen Reibungsverlusten, zum Beispiel mit gasdruckgelagertem Kolben 6, kann die im Betrieb erzeugte Abwärme so gering sein, dass auch bei kontinuierlichem Betrieb des Verdichters die Möglichkeit besteht, dass die Verdichterkammer 7 so stark abkühlt, dass Kondensation möglich ist. Bei einem solchen Verdichter kann es zweckmäßig sein, zu Beginn jeder Einschaltphase des Verdichters die Schritte S12 bis S14 auszuführen, oder gar, diese im Laufe einer Einschaltphase zyklisch zu wiederholen.